VR技術(shù)在鐵道車輛教學(xué)中的探索與應(yīng)用

胡士華　陳文軒　萬(wàn)里榮　白文濤

摘 要：軌道交通認(rèn)知類實(shí)訓(xùn)課是進(jìn)入軌道交通類企業(yè)工作的專業(yè)基礎(chǔ)課，此類基礎(chǔ)課程的實(shí)訓(xùn)效果直接影響其相關(guān)工作能力，本文針傳統(tǒng)理論課弊端及軌道交通實(shí)訓(xùn)難度問(wèn)題，提出結(jié)合現(xiàn)代VR技術(shù)的人機(jī)交互教學(xué)法，打破常規(guī)的教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)理實(shí)一體，為學(xué)生適應(yīng)鐵路企業(yè)工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，論文以動(dòng)車組概論課程進(jìn)行傳統(tǒng)教學(xué)和VR教學(xué)對(duì)比，證實(shí)VR實(shí)訓(xùn)效果有明顯提升作用。

關(guān)鍵詞：軌道交通 實(shí)訓(xùn)效果 VR技術(shù) 理實(shí)一體

Application of VR Technology in Cognitive Training Course of Rail Transit

Hu Shihua，Chen Wenxuan，Wan Lirong，Bai Wentao

Abstract：Rail transit cognitive training course is a professional basic course for entering rail transit enterprises. The training effect of such basic courses directly affects its relevant working ability. Aiming at the disadvantages of traditional theoretical courses and the difficulty of rail transit training， this paper puts forward a human-computer interaction teaching method combined with modern VR technology， breaks through the conventional teaching methods and realizes the integration of theory and practice. To lay a solid foundation for students to adapt to the work of railway enterprises， this paper compares the traditional teaching and VR teaching of EMU introduction course， and proves that the VR training effect can be significantly improved.

Key words：rail transit， training effect， VR technology， integration of theory and practice

1 引言

大網(wǎng)絡(luò)時(shí)代下，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越好，且勢(shì)頭仍然十足，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)涵蓋視覺(jué)圖像處理、軟件工程、3D渲染等多項(xiàng)高級(jí)專業(yè)技術(shù)，在多個(gè)工程領(lǐng)域都有所涉及，尤其是國(guó)家大力支持的高端專業(yè)方面。軌道交通一直都是世界各國(guó)的命脈，我國(guó)也不例外，隨著2007年的全國(guó)第六次鐵路大提速，鐵路速度創(chuàng)造了驚人的奇跡，為了加快國(guó)家發(fā)展，鐵路局、地鐵迎來(lái)了大機(jī)遇與挑戰(zhàn)，這對(duì)相關(guān)從業(yè)者的能力需求也越來(lái)越高。基于此，全國(guó)各大學(xué)校紛紛開(kāi)設(shè)相關(guān)專業(yè)，鐵路院校對(duì)該類的專業(yè)尤為重視。

軌道交通的專業(yè)基礎(chǔ)課程都兼帶有課內(nèi)認(rèn)知實(shí)訓(xùn)，理論實(shí)際結(jié)合的好不好直接影響到軌道行業(yè)從業(yè)者的基礎(chǔ)知識(shí)水平，而基礎(chǔ)直接影響水平的深度。為了培養(yǎng)更多更優(yōu)質(zhì)的軌道行業(yè)從業(yè)者，將VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到此類課程當(dāng)中已變得越來(lái)越重要。

2 傳統(tǒng)軌道交通認(rèn)知類實(shí)訓(xùn)課在教學(xué)中存在的問(wèn)題

2.1 傳統(tǒng)理論課的弊端

理論的學(xué)習(xí)往往相對(duì)枯燥乏味，且理論的學(xué)習(xí)并不能對(duì)學(xué)習(xí)者形成固有的實(shí)體印象，現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)知實(shí)訓(xùn)課成了該課程的至關(guān)重要步驟，甚至可以說(shuō)，現(xiàn)場(chǎng)的認(rèn)知實(shí)訓(xùn)是此類課程的核心。

當(dāng)前客觀環(huán)境及現(xiàn)有技術(shù)下，要想培養(yǎng)的學(xué)生有充足時(shí)間在課程中學(xué)習(xí)到有用知識(shí)。迫切需要通過(guò)使用VR技術(shù)并結(jié)合電腦終端還原出軌道交通真實(shí)情況的環(huán)境，讓學(xué)生沉浸其中，最大程度讓每一個(gè)學(xué)生在有限的時(shí)間里學(xué)掌握和未來(lái)專業(yè)發(fā)展方向契合的基礎(chǔ)知識(shí)。為后面的專業(yè)核心課程提供強(qiáng)有力的基礎(chǔ)，也為他們未來(lái)走向社會(huì)工作崗位邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

2.2 給教師帶來(lái)的教學(xué)問(wèn)題

對(duì)于每個(gè)教師來(lái)說(shuō)，能讓學(xué)生順利學(xué)會(huì)知識(shí)點(diǎn)并懂得利用是件很重要的事。職業(yè)教育相對(duì)本科或者研究生教育更注重實(shí)踐操作，良好的實(shí)踐環(huán)境直接會(huì)影響到學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果，這對(duì)于打基礎(chǔ)的學(xué)生尤為重要，但由于軌道交通行業(yè)的封閉性和實(shí)訓(xùn)器材教學(xué)樣本的難獲取性，更多的實(shí)訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)是往往是一群學(xué)生圍繞著一臺(tái)設(shè)備或者是一個(gè)設(shè)備模型去學(xué)習(xí)研究，這樣的情況下，教師避免不了要講多遍，同一個(gè)內(nèi)容多遍重復(fù)會(huì)使得講課情緒消沉，課堂效果大打折扣;此外，對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，設(shè)備不夠情況下，往往其中一組正練習(xí)占用設(shè)備，其他組只能等待，這也會(huì)造成寶貴的的課堂時(shí)間浪費(fèi)，軌道類實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地大多在戶外，碰到嚴(yán)寒酷暑，給老師學(xué)生都帶來(lái)不少的身體安全挑戰(zhàn)。

2.3 學(xué)生實(shí)訓(xùn)中易引起安全隱患

上實(shí)訓(xùn)課時(shí)，學(xué)生人員流動(dòng)性比較大，一個(gè)老師很難兼顧到既要講好知識(shí)又要管理整個(gè)班級(jí)的安全、紀(jì)律等問(wèn)題，必然會(huì)造成少部分學(xué)生監(jiān)管不到位，安全意識(shí)淡薄的學(xué)生對(duì)一切產(chǎn)生好奇，很可能會(huì)對(duì)各種亂動(dòng)，亂按，違規(guī)操作對(duì)于昂貴設(shè)備損耗不說(shuō)，更重要的是如果是帶電，帶尖銳部分的設(shè)備，容易誤觸造成短路引起火災(zāi)，也容易被尖銳器材傷害，對(duì)老師、學(xué)生都是有巨大安全隱患。

2.4 給學(xué)校帶來(lái)的問(wèn)題

軌道交通屬于封閉性比較強(qiáng)的行業(yè)，封閉性使得其設(shè)備要被獲取難度性大于其它普通行業(yè)，尤其對(duì)于整機(jī)車、整動(dòng)車組、整地鐵這種大型教學(xué)設(shè)備難度頗高。

學(xué)校的發(fā)展離不開(kāi)巨大資金支持，所以資源資金面的分配對(duì)學(xué)校影響深遠(yuǎn)。從資金上考慮，軌道交通實(shí)訓(xùn)樣本往往大件且笨重，購(gòu)買價(jià)格極其昂貴，很多學(xué)校難以承受。比如一輛機(jī)車、動(dòng)車或車輛，其造價(jià)動(dòng)輒幾千萬(wàn)甚至上億，對(duì)于一所普通院校的資金鏈都是個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)在軌道交通實(shí)訓(xùn)課程中的探索

針對(duì)以上問(wèn)題，柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)充分重視，并且花費(fèi)重資聯(lián)合武漢風(fēng)河信息科技有限公司在動(dòng)力技術(shù)二級(jí)學(xué)院建立了VR實(shí)訓(xùn)室。經(jīng)過(guò)近兩年期間投入使用，動(dòng)力技術(shù)學(xué)院學(xué)生在軌道交通認(rèn)知類實(shí)訓(xùn)課程中獲得了巨大的效益效果。

3.1 搭建VR實(shí)訓(xùn)室建設(shè)基本信息

經(jīng)過(guò)校方和各配合公司努力，采購(gòu)的軟硬件內(nèi)容：VR圖形工作站、VR設(shè)備、VR區(qū)域框架結(jié)構(gòu)搭建及弱電工程、交互智能教學(xué)平臺(tái)、管理服務(wù)器、動(dòng)車檢修一級(jí)修、二級(jí)修沉浸式學(xué)習(xí)軟件套、一級(jí)修、二級(jí)修仿真實(shí)訓(xùn)軟件、應(yīng)急故障處置實(shí)訓(xùn)軟件、圖形工作站管理機(jī)、教學(xué)端動(dòng)車檢修虛擬實(shí)訓(xùn)管理軟件、桌面版圖形工作站、圖形工作站管理工作臺(tái)、VR圖形工作站、桌面版圖形工作站學(xué)員桌椅、耳機(jī)、機(jī)柜、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

3.2 增強(qiáng)理論與實(shí)訓(xùn)結(jié)合體驗(yàn)，做到“玩中學(xué)”

軌道類基礎(chǔ)課程，都有著理論結(jié)合實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)上理論和實(shí)踐都是分開(kāi)進(jìn)行，會(huì)出現(xiàn)理論課剛剛聽(tīng)懂，到實(shí)訓(xùn)課時(shí)出現(xiàn)忘記狀況，這對(duì)于學(xué)習(xí)肯定是不利的。把VR技術(shù)融合到此類課程，可以真正做到理論實(shí)訓(xùn)結(jié)合，這很大程度上，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，做到“現(xiàn)學(xué)現(xiàn)做”。另外的VR技術(shù)由于其真實(shí)體驗(yàn)感，學(xué)生容易身臨其境，設(shè)置學(xué)習(xí)進(jìn)度關(guān)卡，增加趣味性，像打游戲一樣，真正做到“玩中學(xué)”。

3.3 增強(qiáng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果，考核學(xué)生綜合水平

VR技術(shù)具有很強(qiáng)的靈活性，不受制于太多的環(huán)境影響，且有著多次使用不易損壞等優(yōu)點(diǎn)。此外，VR實(shí)訓(xùn)室的內(nèi)學(xué)習(xí)，可以有效避免事故的發(fā)生。學(xué)習(xí)期間，利用VR技術(shù)加計(jì)算機(jī)結(jié)合的便捷性，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果可以受到老師的實(shí)時(shí)監(jiān)控，老師可以及時(shí)進(jìn)行糾正與指導(dǎo)，最大的做好師生互動(dòng)?？己似陂g利用平臺(tái)出成績(jī)，避免人為的主觀性，真正做到公平公正。

4 VR融合課程具體教學(xué)應(yīng)用

為了驗(yàn)證VR融合課程能否帶來(lái)一定的積極效果，本次選用軌道交通專業(yè)具有代表性的《動(dòng)車組概論》課程來(lái)進(jìn)行探究，將同一個(gè)班級(jí)分成兩組進(jìn)行授課，一組以傳統(tǒng)教學(xué)方法授課，另一組融入VR進(jìn)行授課，圖1為學(xué)生通過(guò)VR設(shè)備學(xué)習(xí)，再以項(xiàng)目考核進(jìn)行效果對(duì)比。

4.1 題材選取及VR理念教學(xué)安排

《動(dòng)車組概論》課是鐵路高職院校了解動(dòng)車知識(shí)的入門基礎(chǔ)課，涉及內(nèi)容范圍較廣，轉(zhuǎn)向架作為復(fù)雜且重要的部分，本次教學(xué)內(nèi)容以此為實(shí)踐對(duì)象，配合以任務(wù)驅(qū)動(dòng)，小組PK、關(guān)卡難度遞增的循序漸進(jìn)教學(xué)模式。

4.2 課后評(píng)價(jià)及教學(xué)結(jié)果反思

VR概念第一次融入到動(dòng)車組概論課程學(xué)習(xí)當(dāng)中，學(xué)生對(duì)此興趣濃烈，結(jié)合合理的環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，普遍對(duì)動(dòng)車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)掌握情況達(dá)到良好以上成績(jī)。少數(shù)幾位同學(xué)存在基礎(chǔ)差異化，但經(jīng)過(guò)正確學(xué)習(xí)引導(dǎo)，也基本能完成任務(wù)，達(dá)到預(yù)期效果。課后對(duì)傳統(tǒng)組和VR組兩組同學(xué)進(jìn)行轉(zhuǎn)向架知識(shí)項(xiàng)目考核，考核結(jié)果如下表2。

表2中可以看到，VR融合教學(xué)相對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)，在測(cè)試項(xiàng)目結(jié)構(gòu)組成、認(rèn)知操作、作業(yè)上正確率分別提高了12%、13%、10%?？梢钥闯鯲R教學(xué)對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)有著很好地幫助。課程結(jié)束后，學(xué)生評(píng)論對(duì)于VR新型教學(xué)方法都給予了肯定，并表示以后希望學(xué)校能將VR融入到其它更多的課程，以供他們學(xué)習(xí)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文就軌道類認(rèn)知實(shí)訓(xùn)課程融合VR技術(shù)進(jìn)行研究。采用VR虛擬實(shí)訓(xùn)室+課程形式，不僅可以完成軌道交通概論課程的認(rèn)知實(shí)訓(xùn)存在的欠缺，還能提高學(xué)習(xí)者的興趣，教師和學(xué)生良好的互動(dòng)配合，極大的提高學(xué)習(xí)效率，真正做到“玩中學(xué)”?！秳?dòng)車組概論》課程傳統(tǒng)教學(xué)和VR融入教學(xué)對(duì)比結(jié)果很好地反映了VR技術(shù)具有一定提升作用。

柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院已將該技術(shù)應(yīng)用到了動(dòng)車組檢修專業(yè)當(dāng)中，并取得良好的成績(jī)，借鑒于此，為了取得更好的效果，可以就類似課程的增加VR設(shè)備投入，讓學(xué)生在軌道交通專業(yè)學(xué)習(xí)到更多、更扎實(shí)的知識(shí)。

教改課題，項(xiàng)目編號(hào)：2021-JGA04。

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